CN107356723B - 矿井巷道系统模拟试验组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井巷道系统模拟试验组件，在方形直管的两端均设有轴向测量断面，方形直管的中部设置侧压测量断面，轴向测量断面上设有三个压力传感器、三个温度传感器和两个浓度传感器，第一压力传感器位于方形直管的中心线上，第二、第三压力传感器位于第一压力传感器不同的同心圆上，侧压测量断面上设有三个侧压传感器，其中两个侧压传感器位于方形直管两边侧壁的腰线上，第三个侧压传感器位于方形直管的底壁。本发明采用组件式结构能够与十字管接头配合，按需要能够真实模拟矿井巷道网络，以满足不同试验的需要；同时，通过特殊的传感器布置，使数据采集全面，试验结果准确、可靠，能够利用采集的数据对煤与瓦斯突出致灾机理开展深入研究。

Description

矿井巷道系统模拟试验组件

技术领域

本发明涉及一种矿井巷道系统模拟试验组件。

背景技术

煤与瓦斯突出是煤矿事故中最为剧烈的一种矿山动力灾害，其抛出的煤岩可直接导致井下作业人员的伤亡，或摧毁井下设施等事故；瞬时喷出的高压瓦斯风暴流能逆风流前进充满几十至上千米长的巷道，甚至会逆流整个矿井，可能造成井下工人窒息死亡，一旦遇上火源，还可能发生瓦斯爆炸、火灾，甚至引起煤尘爆炸等次生灾害，造成重大的人员伤亡和财产损失。

为有效防治煤与瓦斯突出事故的发生，世界各国研究者经过长期大量的工作，提出了多种煤与瓦斯突出机理，基本上形成了一套防突技术和管理体系。但以目前的研究成果、技术管理手段尚不能完全杜绝煤与瓦斯突出灾害，煤与瓦斯突出事故仍时有发生。因此，对煤与瓦斯突出后煤-瓦斯两相流致灾机理的研究就显得尤为重要。但是，现有技术和设备无法直接大量获取煤与瓦斯突出现场煤-瓦斯两相流的运移情况、煤与瓦斯突出冲击波形成过程、对巷道中人员及设备的冲击过程等方面相关资料，导致人们无法从根本上解释煤与瓦斯突出致灾机理，也就不能应用理论分析得出的结论对井下作业人员安全防护以及制定正确有效的灾后应急救援预案等方面提供科学依据，更无法利用相关研究结论有效控制煤与瓦斯突出灾害。部分专家学者为此研发了相应的实验装置，并进行了相关研究。现就主要设备进行叙述：

1、中国矿业大学(2013年)—瓦斯-粉煤流冲击动力效应实验系统(胡维嘉.突出瓦斯—粉煤流冲击动力效应的理论和实验研究[D].中国矿业大学(北京),2013.)。

主要由光源、反射镜系统、刀口、照相系统、支座、试验段模拟巷道、充气及减压装置、瓦斯-粉煤混合装置等组成。其中模拟巷道长2米，形状为拱形，高20cm，宽20cm，拱半径10cm，制作材料为有机玻璃。

该设备可为研究瓦斯-粉煤流冲击障碍物、掘进机、反向防突风门的冲击动力效应和瓦斯粉煤流流场的变化规律，以及观测冲击过程中的流场规律提供技术手段。

缺点：结构简单，所提供的两相流动力设备仅来自于气瓶，巷道仅为一直线段，与井下实际煤与瓦斯突出环境相去甚远。且无压力、温度等检测数据。

2、中国矿业大学(2013)-突出煤粉瓦斯两相流动力测定实验装置(CN201320879190.X)。

包括地应力加载装置、突出腔体，突出腔体连接有模拟巷道，模拟巷道中设有多个压力传感器和温度传感器及高速摄影装置，压力传感器和温度传感器及高速摄影装置分别与数据采集系统连接。可以通过实验的方式得出突出煤粉瓦斯两相流在不同类型巷道中传播规律，从而为防突风门的安装位置、防突风门需要达到的抗冲击强度设计提供依据。

缺点：结构单一无法模拟矿井网络结构，传感器布设方式简单，无法对两相流致灾机理开展深入研究。

3、黑龙江科技学院(2013)-一种煤与瓦斯突出试验装置(CN 201320342657.7)。

模拟巷道的一端与放煤口连接、另一端与缓冲沙箱连接，泄压阀门安装在模拟巷道的进口处，防护板水平设置在煤样室中，液压缸上的活塞设置在煤样室中，施力板设置在煤样室中且位于活塞的下方，瓦斯气压瓶通过管路与煤样室连通，前平衡气缸和后平衡气缸均设置在防护板与煤样室的底面之间，前倾斜调节气压瓶通过管路与前平衡气缸连通，后倾斜调节气压瓶通过管路与后平衡气缸连通，压力平衡气瓶通过管路与平衡腔连通，电磁开关通过导线与泄压阀门连接，摄像机设置在缓冲沙箱外且与模拟巷道的出口处正对。

缺点：结构单一无法模拟矿井网络结构，传感器布设方式简单，数据采集单一，无法对两相流致灾机理进行深入研究。

4、安徽理工大学(2015)-基于地质力学模型试验的煤与瓦斯突出相似模拟试验方法(CN 201510246157.7)。

该试验平台包括试验箱体和反力架、液压加载系统、密封系统、试验监测系统；设计了线充气和面充气系统，用来模拟煤层的瓦斯赋存差异。同时，利用该试验平台进行了石门揭构造软煤的相似模拟试验，研究了石门揭构造软煤过程中煤岩应力和位移的变化规律，以及煤与瓦斯突出过程中煤层内瓦斯压力和声发射的变化规律。

缺点：主要针对煤与瓦斯突出过程煤层内部参数演化特性研究而设计，巷道部分结构及参数监测较为单一。

5、中煤科工集团重庆研究院有限公司(2015)-煤与瓦斯突出模拟实验的管道系统(CN 201420312613.4)。

包括管道组件和连接动力系统及管道组件入口的连接管，管道组件为由管道单元通过法兰连接组成的多分支结构，管道单元包括组成单个分支的方形直管、连接两个分支的第一连接管和连接三个分支的第二连接管，管道单元上设有观测孔和/或测试孔，观测孔安装用于观测粉煤堆积状态的观测组件，测试孔安装用于固定传感装置的测试组件。可通过方形直管、第一连接管、第二连接管的增减或调整进行自由组合，能够模拟简易的具有多分支结构的矿井巷道网络；管道单元上设置的观测组件和测试组件，能够肉眼观测粉煤堆积形态，并仪器测量两相流速度、巷道气体压力、粉煤堆积高度，煤岩运动距离等参数。

缺点：

■巷道结构布置形式较为单一：仅3种结构管件，可组合的形式较少，难以模拟复杂的煤矿巷道网络。

■巷道测点布置方式较为简单：由于各类传感器仅在巷道壁面设置了安装位置，无法在三维层面反应煤-瓦斯两相流的参数分布及演化规律。

■巷道系统获取的图像信号较为单一：仅能从巷道外部通过观测孔对煤-瓦斯两相流的运移情况进行局部图像采集，无法沿巷道网络全程获取煤-瓦斯两相流运移的图像。

■可视化程度较低：尽管在巷道壁面开设观察窗，以便于肉眼观测粉煤堆积形态，但观察窗尺寸较小，可视范围较窄，不便于数据的搜集，且无可视化配套软件。

综上所述，现有装置设计均较为单一，无法较真实的模拟矿井巷道网络；传感器布设方式简单，对煤-瓦斯两相流的传播规律进行研究时，现有装置均安装传感器于巷道壁面，无法获得煤-瓦斯两相流运移断面中部的参数，也就不能对其真实的运移特性进行深入研究；数据采集较为单一，无法利用采集的数据对煤-瓦斯两相流的致灾机理开展深入研究；可视化程度不足，在进行相关模拟试验后，对煤-瓦斯两相流的真实运移形态仍不清楚。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种矿井巷道系统模拟试验组件。

本发明技术方案如下：一种矿井巷道系统模拟试验组件，其特征在于：在方形直管的两端均设有轴向测量断面，方形直管的中部设置侧压测量断面，所述轴向测量断面上设有三个压力传感器、三个温度传感器和两个浓度传感器，其中，第一压力传感器位于方形直管的中心线上，第二压力传感器和第三压力传感器位于以第一压力传感器为中心的不同半径圆周上，且第二压力传感器和第三压力传感器在第一压力传感器的同一侧，第二压力传感器位于第一压力传感器的斜上方，第三压力传感器位于第一压力传感器的斜下方，第一、第二、第三压力传感器的旁边均设有温度传感器，在方形直管侧壁的上部和下部均装有浓度传感器，浓度传感器和第二压力传感器分居于第一压力传感器的两侧；所述侧压测量断面上设有三个按等腰三角形分布的侧压传感器，其中两个侧压传感器位于方形直管两边侧壁的腰线上，第三个侧压传感器位于方形直管的底壁，所述侧压传感器为压力传感器或温度传感器。

采用以上技术方案，方形直管与十字管接头配合，能够根据需要组装成不同样式的模拟巷道管网，模拟巷道管网再与模拟试验台配合，组成煤与瓦斯突出动力致灾可视化物理模拟试验系统。传感器的布设应该使用尽量少的传感器来测量尽量多的数据信息。方形直管内布置两个轴向测量断面，一个侧压测量断面。轴向测量断面主要用于巷道内煤-瓦斯两相流断面分布的测量，侧压断面主要用于煤-瓦斯两相流对巷道壁面作用的压力分析。

轴向测量断面，试验过程中，突出口中心与巷道中心位于同一水平线上，突出口为圆形，故可推测煤-瓦斯两相流的压力、温度等参数分布规律具有一定的中心对称性，因此，轴向测量断面的压力、温度传感器布设位置均在以巷道中心为圆心、半径不同的同心圆上；以巷道中线的其中一侧为主要传感器布置范围，并拟据此对右侧的各参数进行分析。同时，由于突出停止后，气体浓度在巷道断面的分布不会有突变，即巷道壁面与巷道中心位置浓度数据差异不大，考虑加工设计及浓度传感器安装方式，在巷道另一侧壁面上下各安置一个浓度传感器。

侧压测量断面，腰线上两边各一个，中线上巷道的下表面一个，可安装压力传感器或温度传感器。由于轴压传感器位于巷道内部，传感器感应面与煤-瓦斯两相流运动方向垂直，所得数据为固气混合物综合作用的结果。侧压传感器则安装于巷道壁面，所得数据主要为气体压力膨胀作用的结果。

为了便于与十字管接头，使拆装操作更简便，并有利于在外面观察煤-瓦斯两相流的状况，所述方形直管两端的端口均设置有方法兰，方形直管的顶部沿其长度方向设置两个观察窗口，各观察窗口上覆盖透明板，该透明板由方框形的压条压紧。

为了便于传感器安装，确保传感器安装牢靠，第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器均安装在对应设置的支架的悬空端，各压力传感器旁边的温度传感器也安装于同一支架上，该支架的根部与方形直管的侧壁相固定。

作为优选，所述第二压力传感器与第一压力传感器之间的距离大于第三压力传感器与第一压力传感器之间的距离，且第二压力传感器与第一压力传感器的中心连线垂直于第三压力传感器与第一压力传感器的中心连线。

为了便于浓度传感器拆装，在方形直管的侧壁上开设第一安装口，浓度传感器伸入该第一安装口中，该浓度传感器安装于第一定位块上，所述第一定位块与方形直管的外壁紧贴，并通过螺钉固定。

为了便于侧压传感器拆装，在方形直管对应侧压传感器的壁上开设第二安装口，侧压传感器伸入该第二安装口中，所述侧压传感器安装于第二定位块上，第二定位块与方形直管的外壁紧贴，并通过螺钉固定。

有益效果：本发明结构简单，组装容易，采用组件式结构能够与十字管接头配合，按需要能够真实模拟矿井巷道网络，以满足不同试验的需要；同时，通过特殊的传感器布置，使数据采集全面，试验结果准确、可靠，能够利用采集的数据对煤与瓦斯突出致灾机理开展深入研究。

附图说明

图1是轴向测量断面和侧压测量断面的布置示意图。

图2是轴向测量断面各传感器的布置示意图。

图3是方形直管的剖面示意图。

图4是侧压测量断面各传感器的布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、图2、图3、图4所示，方形直管1优选为400mm×400mm方管，方形直管1两端的端口均设置有方法兰，以便于与十字管接头连接，按需要组成不同的模拟巷道管网。在方形直管1的两端均设有轴向测量断面A，方形直管1的中部设置侧压测量断面B。方形直管1的轴向测量断面A上设有三个压力传感器，分别为第一压力传感器2、第二压力传感器3、第三压力传感器4，这三个压力传感器均位于方形直管1内。其中，第一压力传感器2位于方形直管1的中心线上，第二压力传感器3和第三压力传感器4位于以第一压力传感器2为圆心的不同半径的圆周上，且第二压力传感器3和第三压力传感器4在第一压力传感器2的同一侧，第二压力传感器3位于第一压力传感器2的斜上方，第三压力传感器4位于第一压力传感器2的斜下方。第一压力传感器2、第二压力传感器3和第三压力传感器4均安装在对应设置的支架10的悬空端，该支架10的根部与方形直管1的侧壁相固定。作为优选，第二压力传感器3与第一压力传感器2之间的距离大于第三压力传感器4与第一压力传感器2之间的距离，且第二压力传感器3与第一压力传感器2的中心连线垂直于第三压力传感器4与第一压力传感器2的中心连线。

如图1、图2、图3、图4所示，方形直管1的轴向测量断面A上还设有三个温度传感器5和两个浓度传感器6，其中，三个温度传感器5与第一压力传感器2、第二压力传感器3和第三压力传感器4一一对应，各温度传感器5位于对应压力传感器的旁边，两者相接近，且温度传感器5和对应的压力传感器安装于同一支架10上。在方形直管1同一边侧壁的上部和下部均装有浓度传感器6，浓度传感器6和第二压力传感器3分居于第一压力传感器2的两侧。浓度传感器6的安装方式为：在方形直管1的侧壁上开设第一安装口，浓度传感器6伸入该第一安装口中，该浓度传感器6安装于第一定位块11上，第一定位块11与方形直管1的外壁紧贴，并通过螺钉固定。

如图1、图3所示，方形直管1的侧压测量断面B上设有三个按等腰三角形分布的侧压传感器7，其中两个侧压传感器7位于方形直管1两边侧壁的腰线上，第三个侧压传感器7位于方形直管1的底壁，侧压传感器7为压力传感器或温度传感器。侧压传感器7的安装方式为：在方形直管1对应侧压传感器7的壁上开设第二安装口，侧压传感器7伸入该第二安装口中，侧压传感器7安装于第二定位块12上，第二定位块12与方形直管1的外壁紧贴，并通过螺钉固定。在方形直管1的顶部沿其长度方向设置两个观察窗口，各观察窗口上覆盖透明板8，该透明板8由方框形的压条9压紧，压条9通过螺钉与方形直管相固定。

本发明中，方形直管1内布置两个轴向测量断面A，一个侧压测量断面B。轴向测量断面A主要用于巷道内煤-瓦斯两相流断面分布的测量，侧压测量断面B主要用于煤-瓦斯两相流对巷道壁面作用的压力分析。

轴向测量断面，试验过程中，突出口中心与巷道中心位于同一水平线上，突出口为圆形，故可推测煤-瓦斯两相流的压力、温度等参数分布规律具有一定的中心对称性，因此，轴向测量断面的压力、温度传感器布设位置均在以巷道中心为圆心、半径不同的同心圆上；以巷道中线的其中一侧为主要传感器布置范围，并拟据此对右侧的各参数进行分析。同时，由于突出停止后，气体浓度在巷道断面的分布不会有突变，即巷道壁面与巷道中心位置浓度数据差异应该不大，考虑加工设计及浓度传感器安装方式，在巷道另一侧壁面上下各安置一个浓度传感器。

侧压测量断面，腰线上两边各一个，中线上巷道的下表面一个，可安装压力传感器或温度传感器。由于轴压传感器位于巷道内部，传感器感应面与煤-瓦斯两相流运动方向垂直，所得数据为固气混合物综合作用的结果。侧压传感器则安装于巷道壁面，所得数据主要为气体压力膨胀作用的结果。

传感器采用以上布置方式，能够使数据采集全面，使得试验结果准确、可靠。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种矿井巷道系统模拟试验组件，其特征在于：在方形直管(1)的两端均设有轴向测量断面(A)，方形直管(1)的中部设置侧压测量断面(B)，所述轴向测量断面(A)上设有三个压力传感器(2、3、4)、三个温度传感器(5)和两个浓度传感器(6)，其中，第一压力传感器(2)位于方形直管(1)的中心线上，第二压力传感器(3)和第三压力传感器(4)位于以第一压力传感器(2)为圆心的不同半径的圆周上，且第二压力传感器(3)和第三压力传感器(4)在第一压力传感器(2)的同一侧，第二压力传感器(3)位于第一压力传感器(2)的斜上方，第三压力传感器(4)位于第一压力传感器(2)的斜下方，第一、第二、第三压力传感器(2、3、4)的旁边均设有温度传感器(5)，在方形直管(1)侧壁的上部和下部均装有浓度传感器(6)，浓度传感器(6)和第二压力传感器(3)分居于第一压力传感器(2)的两侧；

所述侧压测量断面(B)上设有三个按等腰三角形分布的侧压传感器(7)，其中两个侧压传感器(7)位于方形直管(1)两边侧壁的腰线上，第三个侧压传感器(7)位于方形直管(1)的底壁，所述侧压传感器(7)为压力传感器或温度传感器。

2.如权利要求1所述的矿井巷道系统模拟试验组件，其特征在于：所述方形直管(1)两端的端口均设置有方法兰，方形直管(1)的顶部沿其长度方向设置两个观察窗口，各观察窗口上覆盖透明板(8)，该透明板(8)由方框形的压条(9)压紧。

3.如权利要求1所述的矿井巷道系统模拟试验组件，其特征在于：第一压力传感器(2)、第二压力传感器(3)和第三压力传感器(4)均安装在对应设置的支架(10)的悬空端，各压力传感器旁边的温度传感器(5)也安装于同一支架(10)上，该支架(10)的根部与方形直管(1)的侧壁相固定。

4.如权利要求1或2或3所述的矿井巷道系统模拟试验组件，其特征在于：所述第二压力传感器(3)与第一压力传感器(2)之间的距离大于第三压力传感器(4)与第一压力传感器(2)之间的距离，且第二压力传感器(3)与第一压力传感器(2)的中心连线垂直于第三压力传感器(4)与第一压力传感器(2)的中心连线。

5.如权利要求4所述的矿井巷道系统模拟试验组件，其特征在于：在方形直管(1)的侧壁上开设第一安装口，浓度传感器(6)伸入该第一安装口中，该浓度传感器(6)安装于第一定位块(11)上，所述第一定位块(11)与方形直管(1)的外壁紧贴，并通过螺钉固定。

6.如权利要求4所述的矿井巷道系统模拟试验组件，其特征在于：在方形直管(1)对应侧压传感器(7)的壁上开设第二安装口，侧压传感器(7)伸入该第二安装口中，所述侧压传感器(7)安装于第二定位块(12)上，第二定位块(12)与方形直管(1)的外壁紧贴，并通过螺钉固定。